[pastel-00565844, v1] Discrimination des rythmes cardiaques dans

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THÈSE DE DOCTORAT DE
L’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Spécialité
Électronique
Présentée par
Mme Paola MILPIED
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR de l’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Sujet de la thèse :
Discrimination des rythmes cardiaques dans un défibrillateur implantable de type
simple chambre par des méthodes d’apprentissage statistique
soutenue le 10 février 2011
devant le jury composé de :
M. Gérard Dreyfus Professeur Directeur de thèse
M. Guy Carrault Professeur Rapporteurs
M. Frédéric Anselme Professeur
M. Patrick Gallinari Professeur Examinateurs
M. Nicolas Sadoul Professeur
M. Rémi Dubois Maître de conférences
Mme Christine Henry Responsable Recherche Clinique
Avancée – Sorin Group CRM
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Résumé
EnFrance,prèsde5000défibrillateurssontimplantéschaqueannéechezdespatients
souffrantouàrisqued’arythmies graves.Grâceàuneouplusieurssondesendocavitaires,ces
boîtiers enregistrent l’activité électrique du cœur et l’analysent en continu in‐situ afin de
délivrerunchocélectriqueencasdetachyarythmiesévère.
Actuellement,ladécisionpriseparledéfibrillateur,fondéeprincipalementsurlerythme
cardiaque,n’estpastoujoursappropriée.Lenombredechocsinappropriés(supérieurà30%)
est plus important pour les modèles de défibrillateur simples (défibrillateurs «simple
chambre»)quepourlesmodèlesplusélaborés(«doublechambre»).
Nousprésentonsdanscemémoireune méthodologie d’analyse morphologique des
signaux enregistrés qui, couplée à l’étude classique du rythme cardiaque, permet de réduire
nettementlenombredechocsinappropriés.Lessignauxenregistréssontreprésentésdansun
nouvelespaceàdeuxdimensions,àpartirduqueldescaractéristiquessontextraitespourune
classification statistique par Machines à Vecteurs Supports. La sensibilité et la spécificité du
classifieurobtenusontrespectivementde99%et86%surunebasedetest.
L’intégration des algorithmes dans les défibrillateurs implantablesestsoumiseàdes
contraintes concernant notamment la complexité des calculs. Nous présentons donc une
méthodologiesimplifiéeparrapportàlaprécédente.Lesrésultatsobtenussurlesbasesétudiées
habituellement montrent une sensibilité et une spécificité supérieures à 90%. Une évaluation
cliniquespécifiqueestprévuepourconfirmercesrésultats.
L’étudemorphologiquedessignauxcardiaqueétantfondéesurunecomparaisonentre
l’arythmie en cours et le rythme sinusal de base, nous présentons une étude rigoureuse des
changementsdemorphologiedurythmesinusaldebase,afind’établiruneprocédurestatistique
solided’actualisationdecedernier.
Enfin,uneméthodealternativepourl’améliorationdesperformancesdesdéfibrillateurs
detypesimplechambreestaussiproposée.Elleconsisteàreconstruirel’activitédesoreillettes,
non disponible dans ces modèles, à l’aide d’une Analyse en Composantes Indépendantes des
signauxissusd’unesondespécifiqueuniqueappelée«doublecoil»,placéedansleventricule.
Unefoisreconstruit,lesignalauriculairepeutêtreutilisépouruneanalyseanalogueàcellequi
est proposée pour les défibrillateurs «double chambre», beaucoupplusperformantequeles
algorithmes«simplechambre».Lesrésultatspréliminairesmontrentunebonnedétection,dans
le signal reconstruit, de l’activité de l’oreillette, ce qui ouvre la voie à une amélioration
considérabledesperformancesdesdéfibrillateursdetypesimplechambre.
Motsclés:défibrillateurautomatiqueimplantable,arythmies,chocsinappropriés,morphologie
dessignauxcardiaques,classifieursstatistiques.
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Abstract
Each year in France, 5,000 patients suffering from or at risk of serious cardiac
arrhythmias are implanted with implantable cardioverter defibrillators(ICDs).Thesedevices
use endocavitary leads to continuously monitor cardiac electricalsignalsanddeliverahigh‐
energyelectricalshockwhenaseveretachyarrhythmiaisdetected.
Atpresent,thealgorithmsusedbyICDstomaketheirdecision(shockvsnoshock)are
basedsolelyontheanalysisofthecardiacrhythm.Inmorethan30%ofcases,thesealgorithms
mislead the ICD to deliver inappropriate shocks, which are even more frequent in patients
implantedwiththesimplestmodel(single‐chambervsdual‐chamberICDs).
Here we present a new decision algorithm, based on the dual analysis of the cardiac
rhythmandofthemorphologyoftherecordedelectricalsignals,whichyieldsamuchreduced
occurrence of inappropriate shocks. In this approach, the recorded signals are plotted as
trajectories in an appropriate bidimensional space and key morphological characteristics of
thesetracesareextractedviaaSupportVectorMachinestatisticalclassifier.Whenappliedtoa
testdatabase,thisalgorithmyields99%sensitivityand86%specificity.
Furthermore,wepresentasimplifiedversionoftheproposedalgorithm,whichcomplies
withtheconstraintsofimplementationintoanICD.Oursimplifiedalgorithmyieldedsensitivity
andspecificityratessuperiorto90%whentested on standarddatabases.Adedicatedclinical
evaluationwillsoonfollowtoconfirmtheseencouragingresults.
The decision of the morphological algorithm is based on the comparison between the
ongoing arrhythmia and the patient’s normal sinus rhythm (NSR).Arigorousanalysisofthe
morphological stability of the NSR is described, establishing a robust statistical basis for the
requiredperiodicalupdatingofNSRcharacteristics.
Finally, an alternative method toimprovetheperformancesofsingle‐chamber ICDs is
described. Our approach relies on the reconstruction, based on Independent Components
Analysis,ofatrialsignalsfromtwoventricularsignals,recordedindependentlybyasingledual
coillead.Oncetheatrialsignal is extracted, it can be used in dual‐chamber ICD decision
algorithms,whicharemoreefficientthansingle‐chamberalgorithms.Ourpreliminaryresults,in
whichthe reconstructedsignals accuratelyreflected theatria’s electricalactivity, suggestthat
this approach could considerably enhance the efficiency of single‐chamberICDsinthenear
future.
Keywords: implantable cardioverter defibrillators, arrhythmia, inappropriateshocks,cardiac
signalsmorphology,statisticalclassifiers.
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